중간 다공성의 비유기성 폴리머(mesoporous inorganic polymer, MIP)의 형태로 원자 폴리머 기술(atomic polymer technology, APT)은 나노 차원에서 콘크리트의 입자간 부착강도를 상당히 개선함으로써 물질의 내구성과 콘크리트의 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있음.

MIP 전략은 현재 시장에 나와있는 대부분의 첨가제와는 기본적으로 다름. MIP가 콘크리트에 첨가될 때, 원자 차원에서의 부착은 시멘트의 강도가 원 부착력에 의해 정의된다는 것을 의미함. 이러한 부착은 상상할 수 없을 정도로 강함. 원자 차원에서의 부착은 스프링과 같이 만들어져 MIP 분자의 탄력성으로 나타나고, 이는 강력한 인장 및 휨 강도를 만들어내며 콘크리트의 균열에 대한 취약성을 감소시킴.

다른 한편으로, 파괴된 구조물에서의 재생 콘크리트 골재는 콘크리트에서 재사용될 때, 상대적으로 낮은 기계적 성능을 보임. 따라서, MIP를 재생골재 콘크리트(recycle aggregate concrete, RAC)에 포함하는 것은 그 성능과 장기 내구성을 효과적으로 향상시킬 수 있음. 제안된 연구의 목적은 두 가지임: (1) MIP를 가진 RAC의 성능을 평가함; 그리고 (2) 내재된 스마트 압전 센서/구동기(piezoelectric sensors/actuators)를 사용하여 RAC의 개선된 성능과 상태를 평가함. MIP를 가진 RAC에 대한 연구 결과는 공항에서 재생 콘크리트의 폭넓은 적용을 촉진하며, RAC 구조의 지속가능성을 개선하고, RAC에 대한 장기 건전도 모니터링 기법을 제공함.
 

콘크리트는 세계에서 가장 광범위하게 사용되는 건설 재료 중 하나임. 미국은 매년 180백만 입방미터의 레미콘()을 사용함. 이것은 고속도로, 거리, 주차장, 공원 주차장, 교량, 고층 건물, 댐, 주택, 보도 등 다양한 곳에서 사용됨. 콘크리트는 시멘트, 세골재(모래), 조골재(자갈이나 파쇄암), 그리고 물의 혼합물임. 조골재는 콘크리트 부피에서 약 41%를 차지함. 명확하게, 콘크리트의 생산은 대량의 에너지를 소비할 뿐만 아니라 상당한 양의 암석을 소비함.

미국에서 천연 골재의 소비에서의 변화는 지난 세기의 초기로 돌아감. 천연 골재의 사용은 1900년의 500백만 톤에서 1998년의 27,800백만 톤으로 상당한 증가하였음. 미국 지질조사국(U.S. Geological Survey, USGS)의 보고서에 따르면, 파쇄암의 생산에 대해 0.1%, 모래 및 자갈에 대해 0.5%의 연간 평균 증가율의 가정에 근거할 때 천연 골재의 소비는 27억 톤으로 증가할 것으로 예상됨.

이러한 환경 하에서, USGS의 보고서는 또한 일부 지역이 고품질의 골재 부족을 겪거나 기존의 골재 퇴적층이 여러 이유로 채굴될 수 없다는 것을 강조하고 있음. 게다가, 생태학적 환경은 상당한 양의 골재를 소비하고 시멘트를 생산함으로써 부정적으로 영향을 받을 것임. 통계에 의하면, 시멘트 산업으로부터의 탄소 배출량은 전체 배출량의 7%에 달할 것임.
 

미국에서 건설 및 파괴로 발생하는 콘크리트 폐기물은 고형 폐기물의 약 29%를 차지함. 오래된 건물의 파괴에서 생산된 폐기물의 종류로써, 콘크리트 폐기물은 재활용되지 않는다면 심각한 환경 오염과 자원의 낭비로 이어짐. 환경의 관점에서, 탄소 발자국을 줄이고, 교통시스템의 지속가능성을 증대시키기 위해서 신규 건설에서 재생 골재(recycled aggregates, RA)로써 콘크리트 폐기물을 재사용하는 것이 중요함. 콘크리트 폐기물을 재사용하는 것은 매립지 공간의 감소와 천연 자원의 절감으로 이어질 것임. 높은 품질의 자갈 자원이 점차 고갈됨에 따라 천연 골재를 대체하기 위해 재생 골재를 활용할 필요성이 증가하고 있음.

콘크리트 재생은 천연 자원을 보호하고 신규 콘크리트에 대한 골재 자원으로써 쉽게 가용한 콘크리트를 사용함으로써 처리에 대한 필요성을 제거하기 때문에 중요성을 얻고 있음. 지난 20년간, 재생 골재를 위해 파쇄된 콘크리트 폐기물의 재생은 이미 상업적이고 실현가능함이 밝혀졌음. 2004년의 FHWA 연구에 의하면, 38개의 주는 골재로써 콘크리트를 재활용하고; 11개 주는 새로운 포틀랜드 시멘트 콘크리트로 재활용하고 있음. 이와 같은 재생 기법은 제조 및 이송의 비용을 줄이면서 매립지의 소비를 효과적으로 낮출 수 있음. 재생 골재 콘크리트(recycled aggregate concrete, RAC)의 사용은 그 지속가능한 개발에 대해 교통 인프라에서 특별한 관심을 얻고 있음. 보통, 재생 골재는 천연 골재보다 더 큰 다공성과 흡수성, 더 낮은 밀도와 더 낮은 강도를 가지고 있음. 파쇄된 구조물에서 재생된 콘크리트 골재는 콘크리트로 재사용될 때 상대적으로 낮은 기계적 성능을 보여줌. 그러나, 재생 골재 콘크리트의 성능 향상에 대한 연구는 매우 제한적임.
 

사전 연구에 의하면, MIP를 가진 콘크리트에서는 취성(stiffness)이 약 27%, 압축강도가 약 45% 증가하였음. 재생 골재 콘크리트에서 MIP를 포함하는 것은 그 성능과 장기 내구성을 효과적으로 향상시킬 수 있음.

다른 한편으로, 센서 및 무선 통신 기술의 진전으로 교통 구조물의 상태를 모니터링하고 평가하는 것은 더 경쟁력이 있음. RAC 구조물에 내재된 압전 센서와 구동기는 RAC 구조물의 성질과 상태를 모니터링할 수 있어야 함. 그러나, 콘크리트 구조물의 효과적인 손상 탐지와 건전도 모니터링의 가능성과 타당성은 완전히 탐색되지 않았음.
 

APT를 가진 RAC로 구성된 구조물의 초기 및 장기 성능과 상태를 더 잘 평가하고, 스마트 압전 물질로 초기의 취성 획득 절차를 모니터링하기 위해서, 이 연구의 목적은 다음의 세 가지 임무를 완료함으로써 다루어질 것임:

？ 성능, 특히 APT를 가진 RAC의 수축 거동에 대한 성능을 평가함;
？ 내재된 스마트 압전 센서/구동기를 사용하여 APT를 가진 RAC의 개선된 성능과 상태를 평가함; 그리고
？ 더 장기적인 평가를 위해 결론에 도달하고 제안사항을 개발함.

스마트 물질을 사용하여 상태 평가와 열화 탐지 전략을 개발하기 위해 실험 및 이론적인 접근방식이 결합되었고, APT를 가진 RAC 구조물의 성능 향상을 평가하였음. APT를 가진 RAC에 대한 연구 결과는 엔지니어링에서 재생 콘크리트의 폭넓은 적용을 잠재적으로 촉진하고, RAC 구조물의 지속가능성을 향상시키며, RAC 구조물에 대한 장기적 건전도 모니터링 기법을 제공하였음.
 

RAC의 실험적 특성 파악과 RAC의 건전도 모니터링에서 스마트 골재의 시행에 근거할 때, 다음과 같은 사전적인 결론이 얻어졌음.

1. 정적 압축시험 결과에 근거할 때, RAC의 영 계수(Young's modulus), 압축 및 휨 강도는 APT가 첨가됨에 따라 증가함. 예를 들어, 7일차의 RAC 압축강도는 물 1 갤론 당 5 oz의 APT를 첨가함으로써 42%가 증가하였음. 이는 APT가 RAC의 물질 속성을 효과적으로 향상시키기 위해 유망한 첨가제임을 보여줌.

2. 동적 계수 시험 데이터에 근거할 때, RAC 표본의 빈도와 동적 계수는 양생 시간이 증가함에 따라 점차 증가함. 이는 양생 기간 동안 취성과 강도를 획득하는 절차를 나타냄. 그러나, RAC의 빈도와 동적 계수는 APT 첨가의 증가에 따라 분명히 증가하지는 않음. 이는 RAC의 초기 취성에 대한 APT의 영향을 파악하는데 있어 동적 계수가 적절한 인자가 아님을 나타냄.

3. 내재된 스마트 골재를 사용하는 건전도 모니터링 기법은 양생 단계에서 RAC가 취성을 획득하는 절차를 평가하고 측정하는 능력을 보여줌. 가장 중요하게, APT의 첨가가 RAC의 초기 취성에 미치는 영향은 탄성파 시험에서 분명히 관찰될 수 있음. 이는 APT의 첨가를 증가시킴에 따라 확장 및 전단 계수 모두의 증가에서 잘 나타남.

4. 여러 다른 시험 방법 -- 정적 압축 시험, 동적 계수 시험, 그리고 탄성파 시험 -- 에 근거할 때 RAC 표본의 탄성 계수에 대한 비교에 의하면, RAC의 탄성 계수에 있어서 정적 압축 시험은 가장 낮은 값을 예측하는 반면 탄성파 시험은 가장 높은 값을 예측함.

5. APT를 첨가하지 않은 RAC의 자유 수축(free shrinkage)은 APT를 첨가한 것보다 훨씬 더 큼. 물 1 갤런 당 3 oz의 APT를 첨가한 RAC에 대한 자유 수축은 7일과 28일에 각각 37.1%와 14.7% 감소하였음. 물 1 갤런 당 5 oz의 APT를 첨가한 것은 7일과 28일에 각각 43.1%와 37.3% 감소하였음. 워싱턴 교통부(Washington Department of Transportation, WSDOT)의 벤치마크 배합 설계에 근거할 때 RAC 표본의 자유 수축은, 물 1 갤런 당 5 oz의 APT를 첨가함으로써 WSDOT의 수축 요구사항을 맞출 것임.

6. 여러 다른 양의 APT를 가진 RAC의 상대적인 건조 수축 균열 경향에 대한 시험 결과에 근거할 때, APT의 첨가량이 늘어날 수록 RAC가 균열에 이르는 시간이 증가하였음. 이는 RAC의 건조 수축 균열을 상당히 낮추는데 있어 APT가 효과적이고 효율적인 첨가제가 될 수 있음을 보여줌.
 

수행된 시험 프로그램과 이 연구에서 개발된 건전도 모니터링 기법에 근거할 때, 교통 건설에서 재생 골재 콘크리트와 원자 폴리머 기술의 적용을 촉진하고 콘크리트 구조물에 대한 효과적인 건전도 모니터링 기법을 제공하기 위해 다음과 같은 제안사항이 제시됨.

1. RAC의 기계적 성질과 내구성이 천연골재 콘크리트(natural aggregate concrete, NAC)의 것보다 일반적으로 더 낮을 것으로 예측되지만, RAC는 기본적인 물성이 적절한 양의 APT 첨가제를 첨가함으로써 DOT의 요구사항을 만족시키는 한 교통 건설에 사용할 것을 제안함.

2. RAC의 장기 성능은 전통적인 동적 계수 시험(dynamic modulus test -- ASTM C215)이나 내재된 스마트 골재를 가진 스마트 건전도 모니터링 기법을 사용하여 모니터링 되어야 함.

3. 중간 다공성의 비유기성 폴리머의 형태로 원자 폴리머 기술은, 자유 및 건조 수축의 요구사항을 모두 맞추기 위해 RAC 성능의 향상을 위한 효율적인 첨가제로써 매우 제안됨.